Dai laboratori di ricerca EMPA della Svizzera sono stati sviluppati dei nuovi materiali resistenti, flessibili, ma soprattutto viventi
I cosiddetti living materials sono sempre più usati dalla ricerca per sviluppare nuovi materiali, sostenibili e biodegradabili. Spesso si tratta di funghi, alghe o organismi unicellulari. Altri materiali naturali, invece, coma la cellulosa, lignina o chitina, sono sostanze biodegradabili nella loro forma pura. Ma hanno prestazioni più limitate: meno resistenti, durevoli, flessibili. Per aumentarne le proprietà allora, si deve ricorrere a processi chimici, che vanno ad alterare la loro sostenibilità naturale.
I ricercatori di Cellulosa e Materiali Legnosi di Empa, laboratorio svizzero sulle nuove tecnologie dei materiali, hanno compiuto un passo avanti, sviluppando un materiale bio-based che aggira questo compromesso. Il nuovo materiale, infatti, è resistente agli strappi e versatili, grazie ad una serie di passaggi e non chimici. Il suo segreto? È un materiale vivo.
Ottimizzato dalla Natura
Come base per il loro innovativo materiale, i ricercatori hanno utilizzato il micelio del fungo Schizophyllum commune, un fungo ampiamente diffuso che cresce sul legno morto. I miceli sono strutture fungine filamentose simili a radici che sono già oggetto di intensa ricerca come potenziali fonti di materiali. Normalmente, le fibre miceliali – note come ife – vengono pulite e, se necessario, trattate chimicamente, cercando un compromesso tra prestazioni e sostenibilità.
Materiali viventi: un nuovo approccio
Il team di Empa ha scelto un approccio diverso. Invece di trattare il micelio, lo utilizzano nella sua interezza. Durante la crescita, il fungo non forma solo ife, ma anche una cosiddetta matrice extracellulare: una rete di varie macromolecole fibrose, proteine e altre sostanze biologiche secrete dalle cellule viventi. “Il fungo utilizza questa matrice extracellulare per darsi struttura e altre proprietà funzionali. Perché non dovremmo fare lo stesso?”, spiega Ashutosh Sinha, ricercatore di Empa. “La natura ha già sviluppato un sistema ottimizzato“, aggiunge Gustav Nyström, responsabile del laboratorio Cellulosa e Materiali Legnosi.
Come sono arrivati al nuovo materiale
Dall’enorme diversità genetica dello Schizophyllum commune, hanno selezionato un ceppo che produce livelli particolarmente elevati di due specifiche macromolecole: il polisaccaride a catena lunga schizofillano e la proteina simile al sapone idrofobina. Grazie alla loro struttura, le idrofobine si accumulano alle interfacce tra liquidi polari e apolari, come acqua e olio. Lo schizofillano è una nanofibra: meno di un nanometro di spessore, ma più di mille volte più lunga. Insieme, queste due biomolecole conferiscono al materiale miceliale vivente proprietà che lo rendono adatto a una vasta gamma di applicazioni.
Le applicazioni del fungo vivente
Nel loro studio, recentemente pubblicato sulla rivista Advanced Materials, hanno presentato due possibili applicazioni per il materiale vivente: un film simile alla plastica e un’emulsione. Le emulsioni sono miscele di due o più liquidi che normalmente non si mescolano. Un esempio comune è il latte, il condimento per insalata o la maionese. Anche vari cosmetici, vernici e pitture si presentano sotto forma di emulsioni.
Una sfida è stabilizzare tali miscele in modo che non si separino nei singoli liquidi nel tempo. È qui che il micelio vivente mostra i suoi punti di forza: sia le fibre di schizofillano che le idrofobine agiscono come emulsionanti. E il fungo continua a rilasciare un numero sempre maggiore di queste molecole. “Il suo utilizzo come emulsionante nell’industria cosmetica e alimentare è quindi particolarmente interessante“, sottolinea Nyström.
Dalle buste per compost alle batterie
I ricercatori possono controllare le proprietà del materiale fungino modificando le condizioni in cui il fungo cresce. Sarebbe anche concepibile utilizzare altri ceppi che producono altre macromolecole funzionali, che quindi reagiscono al loro ambiente. Questo materiale sarebbe allo stesso tempo biodegradabile e biodegradatore: lo Schizophyllum commune può decomporre attivamente legno e altri materiali vegetali. “Invece di sacchetti di plastica compostabili, potrebbe essere utilizzato per realizzare sacchetti che compostano da soli i rifiuti organici”, suggerisce il ricercatore.
Ci sono anche applicazioni promettenti per il micelio nel campo dell’elettronica sostenibile. Ad esempio, il materiale fungino mostra una reazione reversibile all’umidità e potrebbe essere utilizzato per produrre sensori di umidità biodegradabili. Altro ancora: la biobatteria fungina e la batteria di carta. “Vogliamo produrre una batteria compatta e biodegradabile i cui elettrodi siano costituiti da una ‘carta fungina’ vivente“, conclude Sinha.
Cosa sono i materiali viventi?
I materiali viventi – affascinante frontiera della scienza dei materiali – invece di essere prodotti attraverso processi industriali tradizionali, materiali sono creati o modificati utilizzando organismi viventi come batteri, funghi, alghe o persino cellule di mammiferi.
Caratteristiche chiave dei materiali viventi:
- Bio-fabbricati: Sono prodotti o assemblati da cellule viventi e microrganismi.
- Auto-rigeneranti: Alcuni materiali viventi hanno la capacità di ripararsi autonomamente.
- Adattabili: Possono rispondere a cambiamenti ambientali, modificando le loro proprietà.
- Sostenibili: Spesso utilizzano risorse rinnovabili e processi a basso impatto ambientale, con potenziale biodegradabilità.
- Funzionali: Possono essere progettati per svolgere funzioni specifiche, come la purificazione dell’aria o dell’acqua, la produzione di energia o il rilascio di farmaci. (P.T.)
